Metalurgia



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La metalurgia es la ciencia de los materiales que estudia los metales , sus elaboraciones, sus propiedades, sus tratamientos. Por extensión, esto denota la industria de fabricación de metales y aleaciones , basada en el dominio de esta ciencia .

Definiciones

Una disciplina que se desarrolla con la industria

La definición de la metalurgia ha evolucionado mucho a lo largo del XIX °  siglo. A partir de los herreros y su acumulación de conocimiento empírico , la metalurgia ha convertido en el XIX XX  la ciencia del siglo y en el contexto de la revolución industrial (y el inconsciente colectivo), que se convirtió en sinónimo de acero de altos hornos para trenes de laminación , trefilado , a continuación, convertirse en una intensa actividad industrial que también se preocupa por soluciones avanzadas, aleaciones especiales para aeronáutica , electrónica , construcción , automoción , nuclear y un sinfín de usos más.

Así, la metalurgia, en 1840 , se define como "la ciencia que aprende a conocer la forma de tratar los minerales que son aportados por la explotación de las minas" . La minería y la metalurgia forman parte de las ciencias mecánicas y pueden agruparse bajo el nombre de ciencia minera , que luego se subdivide en minería y metalurgia . El minero extrae los minerales mediante procesos mecánicos; el metalúrgico los trata mediante una serie de procesos químicos y mecánicos . Eliminar por procesos químicos, realizados a gran escala, de la manera más económica y con la menor pérdida posible, las partes útiles que contienen los minerales aportados por el minero, tal es el problema de la metalurgia racional (...) L El principal negocio del metalúrgico es siempre el conocimiento del arte de procesar minerales; pero si quiere elevarse por encima de la simple rutina, no debe permanecer ajeno a varias otras ciencias accesorias, especialmente cuando quiere formarse para convertirse en administrador o director de fábricas. Las matemáticas , la física , la química , la mineralogía , la minería , la arquitectura , el bosque , el dibujo , la jurisprudencia y las finanzas , son ciencias a estudiar, algunas en toda su extensión, otras en algunas de sus partes solamente .

Significado moderno

Inicio XXI °  siglo , en una definición que distingue a un puro físico o una pura químico y que se corresponde con la realidad de los laboratorios públicos e industriales, "el metalúrgico, formado en la física, la química y la mecánica , al menos sabe cómo leer y utilizar una diagrama de fase (sin creer que lo diga todo sobre la aleación ), conoce la existencia y propiedades de los defectos cristalinos responsables de la plasticidad y el transporte del material , así como los fundamentos teóricos y prácticas de fractura y corrosión  : quién utiliza estas habilidades en el lado experimental o en el lado teórico de la metalurgia, o mejor, en ambos; y quien tiene una cultura lo suficientemente amplia como para, conociendo la composición de una aleación de metal, tener ya una intuición de las principales propiedades de la misma . Debido a sus últimos miles de años y al alcance de sus aplicaciones, la metalurgia a veces se considera una actividad más cercana a las artes y oficios que a una actividad científica rigurosa. Tomando préstamos de la física, la mecánica, la química y las matemáticas, ayudó a crear la ciencia de los materiales y continúa nutriéndola con ejemplos, conceptos y métodos experimentales y teóricos. El éxito de la metalurgia se puede resumir en cinco palabras: la abundancia de metales en la corteza terrestre, su gran maleabilidad , la capacidad que ofrecen para modificar sus propiedades mecánicas mediante tratamientos termomecánicos , el extraordinario dominio de las tecnologías asociadas; finalmente la conducción - eléctrica y térmica - característica de metales y aleaciones y el magnetismo de algunos de ellos .

Actualmente, el término "metalurgia" puede por tanto designar:

  • la industria metalmecánica y procesadora:
    • metalurgia primaria o extractiva: transformación de materiales naturales ( mena ) en metal  ;
    • metalurgia secundaria: desarrollo de materiales que pueden ser utilizados por la industria, incluida la producción de aleaciones, tratamientos termomecánicos ( laminado , temple , revenido ), conformado en semiproductos ( láminas , perfiles. En francés, el término metalurgia extractiva incluye primarios y secundarios metalurgia Para los anglosajones, la metalurgia extractiva solo concierne a la metalurgia primaria;
  • ciencia que estudia los metales (sus propiedades, su transformación): metalurgia física, metalurgia mecánica.

Historia

Prehistoria y Antigüedad

El metal se trabajó inicialmente como piedra . Los primeros metales reconocidos por el hombre como diferentes de la piedra, el cobre y el oro , se encontraron en la naturaleza como metales y no como minerales. Estos metales nativos, los anteriormente utilizados y trabajado (en Anatolia en el VII º  milenio antes de Cristo. ) Es el cobre nativo . Nótese que el nombre del cobre deriva del término griego adjetivo kyprios , es decir, relativo o en relación con la isla de Chipre , famosa en la Antigüedad grecorromana por sus yacimientos de cobre. El adjetivo podría aplicarse a todo tipo de producciones de cobre o bronce martillado originarias de Chipre. Para algunos etimólogos, la palabra "cobre" significa primero una aleación, un "bronce de Chipre  ", una isla de minas de cobre en la Antigüedad , antes de aplicarse al material metálico puro. Sin embargo, los romanos, que habían heredado el conocimiento etrusco de la metalurgia , y que conocían los antiguos recursos de cobre nativo de la isla, calificaron así el metal rojo puro del nombre de la isla, dedicado a la diosa Venus / Afrodita . Por lo tanto, los hombres probablemente empezaron a trabajar el cobre nativo (es decir, naturalmente presente en forma metálica) martillando, y se puede suponer que encontraron que era más fácil trabajar con él cuando estaba calentado (fenómeno de recocido  : eliminación de dislocaciones por restauración y posiblemente recristalización ). Luego, calentando cada vez más, notaron que se estaba derritiendo y que, por lo tanto, se podía moldear. Esto constituyó la Edad del Cobre , alrededor de -4000 .

Una rica colección de objetos de oro de la V ª  milenio antes de Cristo. AD fue descubierto en Varna (Bulgaria) y, por otra parte, los objetos raros V º  milenio antes de Cristo. AD también, hierro nativo probablemente meteorito , ha sido desenterrado en Irán.

La primera aleación fue el bronce (una aleación de cobre y estaño ). La Edad del Bronce oscila entre -2500 y -1000 . Como el cobre nativo escaseaba, los hombres trabajaban con minerales cada vez más pobres en cobre nativo, y probablemente notaron que calentarlos no solo permitía extraer cobre de los minerales mediante fundición, sino también "transformar" el mineral metálico ( reducción ); así es, sin duda, como nacieron los altos hornos , alrededor de -1200 .

Alrededor de -1000 comenzó la Edad del Hierro, pero fue a partir de la Segunda Edad del Hierro cuando realmente se desarrolló una industria del acero en Europa. Dado que el hierro se funde a una temperatura mucho más alta que el cobre ( 1.535  ° C frente a 1.084  ° C ), se superpusieron capas de carbón vegetal y capas de mineral de hierro para alcanzar su temperatura de fusión. La reducción del mineral en los altos hornos fue imperfecta y dio lugar a un bloque de aspecto esponjoso (el macizo o la lupa) que se martillaba para eliminar sus impurezas. Durante mucho tiempo, los arqueólogos creyeron que los primeros en usar hierro fueron los hititas . Luego se estimó que la metalurgia del hierro nació en el norte de Siria , en las estribaciones del Tauro, en una región que probablemente proporcionaría minerales y bosques (para el carbón necesario para la producción de hierro). Un trabajo reciente, pero traza discutido la primera metalurgia del hierro de finales del III E y la I er  milenio antes de Cristo. AD en África.

En América , antes de la llegada de los europeos , los nativos americanos desarrollaron una metalurgia de varios metales ( oro , cobre, plata , estaño e incluso platino , desconocidos para los europeos), pero nunca trabajaron el hierro con raras excepciones cerca (los inuit así trabajaron el meteórico hierro ).

Durante el resto de la Antigüedad, solo se utilizaron unos pocos metales y, para algunos, solo se trabajaron. Solo se conocían siete metales  : oro , mercurio , plomo , plata , hierro , cobre y estaño . Desde el descubrimiento de los primeros metales (oro y cobre), hasta el final de la XVII ª  siglo, sólo doce metales y metaloides se descubrieron. Cuatro de ellos, el arsénico ( XIII º  siglo), el antimonio (1560), el zinc , y bismuto (1595), fueron descubiertos en el XIII º - XIV th  siglos. El próximo metal descubierto será el cobalto en 1735 y luego el bismuto en 1750 . [para comprobar] Actualmente, hay 82.

Edad Media

El uso de molinos de agua para asegurar el soplado permitió alcanzar temperaturas más altas. Así, hacia 1450 , se realizó la primera fundición de hierro fundido con alto horno .

Tiempos modernos

La industria del acero que experimenta su desarrollo más fuerte a finales del XVIII °  siglo , lo que permitió a la revolución industrial . La producción masiva de acero permitió la realización de máquinas de vapor y por tanto, el bombeo de agua en las minas .

De nuestros días

Se está investigando mucho sobre los tratamientos aplicados a los metales que sobre su preparación, en particular sin pasar por altos hornos. Por ejemplo, desde un punto de vista biomédico , el titanio se utiliza en bioterapia . Tratamientos químicos o físicos como el arenado lo hacen histocompatible y lo convierten en el metal de referencia para prótesis óseas.

Organización de la industria

Las actividades

La metalurgia cubre una amplia gama de actividades industriales:

Tres especialidades

La industria metalúrgica se organiza en tres especialidades principales. Cada uno requiere una especialización diferente de los otros dos. Existe, por un lado, la metalurgia del hierro y, por otro, la de los metales no ferrosos, que se dividen en metales preciosos, como el oro , y metales no preciosos, como el aluminio  :

El futuro de la metalurgia

Muchos centros de toma de decisiones ( investigación y fabricación) en metalurgia se han internacionalizado con el tiempo. La distancia geográfica e intelectual entre los centros de toma de decisiones, fabricación e investigación que de ella se deriva, a menudo significa que la competencia de la metalurgia se pierde en Europa , tanto en investigación como en actividad industrial: un esfuerzo universitario que se basa en desmoronamientos, un enseñanza que flaquea, jóvenes investigadores e ingenieros que faltan.

Técnicas

Fundicion a la cera perdida

Históricamente hay tres tipos que hoy corresponden a un solo método de implementación. Se trata de una técnica tanto para la fundición de arte como para industrias como la aeronáutica ... ( Safran (empresa) ).


La fundición a la cera perdida es una técnica del antiguo Cercano Oriente .

En primer lugar, hacemos en cera la forma exacta de lo que queremos obtener después. Esta forma se produce sin un núcleo interno, al tiempo que proporciona conductos de ventilación. Sobre esta forma, aplicamos una leche de arcilla , para tomar la impresión con mucha precisión. Las sucesivas capas de arcilla están cada vez más cargadas de desengrasante vegetal para soportar las altas temperaturas. Una vez que la arcilla se ha secado, se realiza el desparafinado calentando suavemente el conjunto para eliminar toda la cera. Si esta operación no se realiza correctamente, los residuos de cera que puedan entrar en contacto con el metal fundido pueden provocar la explosión del molde. Una vez que el molde se ha enfriado y vacío, el metal fundido se vierte atacando el molde. Entonces bastará con romper el molde de terracota para recuperar la forma. Esta parte deberá ser reelaborada (remoción de ventilaciones, pulido , reelaboración en frío, etc.) para obtener la forma final.

La fundición a la cera perdida es una técnica del antiguo Cercano Oriente.

La técnica es la misma que la del vaciado completo a la cera perdida, pero esta vez la forma de cera se forma alrededor de un núcleo. Además, al formar la regla de arcilla, se deben proporcionar clavos espaciadores para sujetar el núcleo cuando se descarga la cera.


Molde negativo de hierro fundido.

Para esta técnica, primero hacemos un modelo en arcilla de la obra que queremos obtener en metal. Luego, se forma un molde en la parte superior antes de recuperar el modelo abriendo este molde. El interior se recubre con cera líquida (mediante aplicación con pincel, por ejemplo) o con cera aplicada en los dedos. El núcleo (sostenido por clavos espaciadores) se coloca en el molde antes de cerrarlo. El molde se calienta para quitar la cera, luego se vierte el metal en él. Una vez que el conjunto se ha enfriado, se recupera el objeto terminado antes de volver a trabajarlo, si es necesario.

Puede cortar el modelo original en varias piezas que luego se derretirán si el trabajo es demasiado grande para trabajarlo de una vez.

Fundición de arena

Fundición a presión

Estampado

El dibujo formatea una hoja por deformación plástica en caliente.

Esta técnica se practica, en la Antigüedad del Cercano Oriente, utilizando un martillo cubierto con un trozo de cuero. El lingote de metal plano se trabaja por percusión hasta obtener la forma deseada.

Granulación

La granulación es una técnica decorativa de la joyería etrusca . Primero, se corta un alambre de metal en pequeños trozos, que se colocan sobre un soporte muy caliente. Luego se retraerán y formarán pequeñas bolas. Estas bolitas se fijan mediante un adhesivo (sal de cobre, cola de harina, piel de pescado, etc.) y autoadhesivas.

Hierro fundido en molde segmentado

Esta técnica es una técnica específica de los bronceadores chinos . Se encuentra importado a Japón .

Realizamos la réplica exacta del jarrón que queremos realizar en bronce, pero en arcilla, forma y detalles incluidos. La vasija de arcilla se deja secar o hornear, sobre la cual se colocan tiras de arcilla fresca para tomar la forma y los patrones generales. Una vez secas, estas tiras se retiran, obteniendo así secciones independientes de barro, que luego se cuecen. El jarrón modelo de arcilla se lija para obtener un núcleo virgen más pequeño con una decoración suave. Sobre este núcleo, las secciones de arcilla cocida se colocan con un sistema de espaciamiento, canales de flujo y canales de ventilación. Una vez que el bronce se ha fundido y enfriado, las partes de arcilla se rompen con un mazo. Tomamos los detalles en frío y agregamos elementos fundidos por separado si es necesario.

Con esta técnica se puede optar por empotrar elementos metálicos colocando láminas de metal, de cobre rojo por ejemplo, en las ranuras de los segmentos del molde. En contacto con el bronce fundido, el metal se derretirá y se unirá a él.

Impactos negativos

Salud de los trabajadores

Los oficios metalúrgicos son más peligrosos y arduos que el promedio. A él están vinculadas enfermedades profesionales específicas, conocidas al menos desde la Antigüedad grecorromana, que incluyen, por ejemplo, el envenenamiento por plomo inducido por la metalurgia del plomo y la plata , y el hidrargismo inducido por la producción y trabajo del mercurio .

En Francia, la Agencia Nacional de Seguridad Alimentaria, Ambiental y de Salud Ocupacional (ANSES) confirmó en 2018 que los oficios especializados de la metalurgia (pero detrás de los de edificación y construcción especializada) se encuentran entre los más afectados por los llamados cánceres "ocupacionales" ( más de 11.000  casos de cáncer de bronquios , cáncer de vías urinarias , mama , riñón , laringe , seno , colon , recto , piel (excluyendo melanoma ), sistema nervioso central , hemopatías linfoides maduras, leucemia mieloide diagnosticada entre 2001 y 2016) Esto se muestra de nuevo un estudio en el Plan de Cáncer ( 2014 - 2019 ) por la red nacional de vigilancia y la prevención de las enfermedades profesionales de estudio (RNV3P) presentados en el 35 º Congreso de la medicina y la salud (5 2018 junio en Marsella). En Francia, por estos cánceres informó a principios del XXI º  siglo, el asbesto está implicado en 42% de los casos, muy por delante de los hidrocarburos aromáticos policíclicos (PAHs implicados en 6,5% de los casos ").

Medio ambiente y clima

La industria metalúrgica, junto con las cementeras , es la actividad industrial que más energía consume y por eso también emite una gran cantidad de determinados gases de efecto invernadero. Desde la antigüedad, también ha sido una fuente importante de contaminación del agua, el aire y el suelo por metales y metaloides, incluso en forma de nanopartículas , que una vez en el aire pueden desempeñar un papel preocupante como catalizador capaz de alterar la química. de la atmósfera .

Notas y referencias

  1. Intensa actividad industrial que en Francia, por ejemplo, seguía representando 1.800.000 puestos de trabajo directos o indirectos, el 21% de los cuales eran ejecutivos, en unas 45.000 empresas. En Estadísticas Industriales , SESSI , Ministerio de Economía. Citado en Yves Quéré. Metalurgia: ciencia e ingeniería. EDP Sciences, 2011. on Leer en línea
  2. GA Lampadius, GA Arrault. Manual de metalurgia general, volumen 1. Carilian-Goeury, 1840 Leer en línea
  3. André Pineau, Yves Quéré. Metalurgia: ciencia e ingeniería. EDP Sciences, 2011. on Leer en línea
  4. Pierre Blazy y el Aid- Jdid , Introducción a la metalurgia extractiva , en Ingeniería técnicas , de ingeniería ediciones técnicas ,( leer en línea )
  5. Los rituales mágico-obstétricos de los metalúrgicos, relatados por Eliade , recuerdan que durante siglos la gente ha considerado que los minerales "crecen" en el vientre de la Tierra, como embriones humanos en el útero. Según Mircea Eliade , herreros y alquimistas , Flammarion ,, 188  p..
  6. Denise Barthomeuf , "  Lugar de Anatolia en los inicios de la metalurgia del cobre y bronce (el VII º a III º  milenio antes de Cristo. ).  », Studia Aegeo-Anatolica. Mezclas preparadas bajo la dirección de Olivier Pelon. Lyon: Maison de l'Orient et de la Méditerranée , Jean Pouilloux (Obra de la Maison de l'Orient)., Vol.  1,, p.  149-186 ( leer en línea )
  7. Pleiner R. Los inicios del hierro en Europa. En: Dialogues d'histoire ancien, vol. 8, 1982. pág.  167-192 . Leer en línea
  8. J.-C. Margeron y L. Pfirsch, El Cercano Oriente y el Antiguo Egipto , Hachette Supérieur,.
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Ver también

Artículos relacionados

enlaces externos

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Opiniones de nuestros usuarios

Sebastian Sanchez Del Rio

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Eva Carrasco Valencia

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